基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法，采用CFD模拟技术对反应器内污泥混合效果以及反应器流场分布进行可视化分析，并耦合粒子示踪对反应器实际流场进行直接成像，得以甄别反应器内的死区膜面剪切应力较小的区域，优化厌氧动态膜生物反应器的几何构型以及运行条件。何构型以及运行条件。何构型以及运行条件。

【技术实现步骤摘要】
基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法


[0001]本专利技术属于污泥厌氧消化
，涉及一种基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法。

技术介绍

[0002]厌氧动态膜生物反应器(AnDMBR)是将膜分离技术与活性污泥法相结合的水处理技术，其在应用于污泥厌氧消化时，通过解耦水力停留时间与固体停留时间可实现运行浓度的提升，但由于高浓度污泥为非牛顿流体，粘度较大，易在反应器内形成难以流通的死区，且污泥易在膜面沉积形成联结泥饼，由此导致动态膜工艺性能下降；因此如何甄别反应器内死区的位置以及对反应器内构型进行优化，来改进污泥厌氧消化工艺，仍是目前着重考虑的问题。
[0003]在常规的AnDMBR设计过程中，通常是依据公式以及反应器性能参数对几何构型进行设计计算；但是上述设计过程存在以下不足：一是仅依据经验公式进行反应器几何构型设计计算具有较大的不确定性，无法预知实际搭建的反应器内的流场分布，二是无法对反应器内污泥的流态、膜面剪切作用等进行直接可视化，难以有针对性地对反应器结构以及运行参数进行调整以达到最优运行工况。
[0004]鉴于上述情况，为了有效甄别反应器的死区位置，有针对性地改善反应器内的流场分布以及污泥的混合效果，需要研发一种污泥厌氧消化工艺设计方法，优化反应器几何构型，为反应器的长期稳定运行提供技术保障。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法，采用CFD模拟技术对反应器内污泥混合效果以及流场分布进行可视化分析，并耦合粒子示踪对反应器实际流场进行直接成像验证，得以甄别反应器内的死区，优化反应器的几何构型以及污泥厌氧消化工艺。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法，包括以下步骤：
[0008]S1，收集数据，获取厌氧动态膜生物反应器的数据和污泥厌氧消化过程中实际运行参数；
[0009]S2，CFD模拟，根据步骤S1中获取的数据，建立控制方程，确定初始条件和边界条件，绘制几何模型，划分计算网格并生成节点，然后选取流态模型和求解方法进行求解计算，并输出可视化结果；
[0010]S3，粒子示踪成像，选取示踪粒子及与污泥流变特性相近的透明胶质流体作为模拟工作流体，在与厌氧动态膜生物反应器结构相同的透明模拟反应器中模拟污泥的实际运动过程，并获取示踪粒子的运动轨迹和流速；
[0011]S4，将步骤S2中CFD模拟结果与所述步骤S3中粒子示踪成像结果进行对比，分析两
者差异，根据所述差异对所述CFD模拟的模拟过程进行调整，直至两者接近，从而甄别出几何模型内死区所在位置和膜面剪切应力较小的区域；
[0012]S5，根据所述死区所在位置对所述几何模型进行调整，然后进行二次CFD模拟并求解计算，直至所述几何模型内死区范围减小或没有死区，以获得最优流态，并依此对透明反应器的结构进行相应调整，再次利用粒子示踪成像技术进行验证，直至两者接近，由此获得优化后的几何模型；
[0013]S6，根据膜面剪切应力较小的区域所在位置，对CFD模拟过程中沼气循环装置的位置及运行参数进行调整，再次进行CFD模拟直至获得最优膜面剪切应力分布，由此优化厌氧动态膜生物污泥厌氧消化工艺。
[0014]优选地，所述步骤S1中，所述厌氧动态膜生物反应器的数据包括反应器的三维尺寸、膜框架的位置、膜组件的位置、沼气曝气管及曝气孔的位置；
[0015]所述污泥厌氧消化过程中实际运行参数包括反应器的进泥量、循环污泥量、有效膜面积、膜通量、污泥的流变特性参数、沼气循环曝气强度。
[0016]优选地，所述步骤S2中：
[0017]所述初始条件包括过程开始时的进泥量、循环污泥量、膜面积、膜出水量、污泥浓度、污泥的流变特性参数、沼气循环曝气强度；所述边界条件包括进泥管、循环污泥管、膜出水管、沼气孔断面上的速度分布、膜面污泥流速分布、反应器壁面污泥流速分布；和/或
[0018]所述流态模型选自Standard k
‑
ε、Realizable k
‑
ε、Standard k
‑
ω中的一种；和/或
[0019]所述可视化结果包括几何模型内各位置的污泥流速、膜面剪切应力大小分布。
[0020]优选地，所述步骤S3中：
[0021]采用粒径为10～20μm的聚苯乙烯微球作为示踪粒子；和/或
[0022]所述示踪粒子的运动踪迹通过高速成像技术获得；所述示踪粒子的流速通过所述高速成像技术中示踪粒子的位置变化和成像时间间隔计算。
[0023]优选地，所述高速成像技术中，摄像频率为800～1200Hz，单次摄像时间为10～20s。
[0024]优选地，所述步骤S4中：
[0025]所述两者差异包括几何模型与模拟反应器对应位置的流速的差异、几何模型与模拟反应器对应位置膜面剪切应力的差异；和/或
[0026]对所述CFD模拟过程的调整包括选取流态模型、网格的划分方式、边界条件；和/或
[0027]所述两者接近为所述CFD模拟的可视化结果与所述粒子示踪成像结果中的相对位置流速的相对误差＜8％；和/或
[0028]所述死区所在的位置为所述几何模型中流速≤0.05m/s的位置；和/或
[0029]所述膜面剪切应力较小的区域为几何模型中膜面剪切应力≤5Pa的区域。
[0030]优选地，所述步骤S5中：
[0031]所述对几何模型进行调整为在所述死区所在的位置设置导流挡板、调整几何模型壁面的倾角；和/或
[0032]所述最优流态为在所述CFD模拟结果中流速大于0.05m/s的体积与总体积之比≥95％。
[0033]优选地，所述步骤S6中：
[0034]所述沼气循环装置的位置包括沼气循环曝气管与动态膜组件的水平及垂直距离、曝气孔与动态膜片之间的水平距离、相邻曝气孔之间的距离；和/或
[0035]所述沼气循环装置的运行参数为沼气循环曝气强度；和/或
[0036]所述最优膜面剪切应力分布为在所述CFD模拟结果中膜面剪切应力大于5Pa的面积与总面积之比≥95％。
[0037]本专利技术所提供的一种基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法，还具有以下几点有益效果：
[0038]1、本专利技术的基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法，采用CFD模拟技术对反应器内污泥混合效果、反应器流场分布及膜面剪切应力分布进行可视化分析，并耦合粒子示踪对反应器实际流场进行直接成像验证，得以甄别反应器内的死区和膜面剪切应力较小的区域，优化反应器的几何构型以及污泥厌氧消化工艺；
[0039]2、本专利技术的基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法，依据厌氧动态膜生物反应器的实测数据进行CFD模拟，并采用聚苯乙烯微球作为示踪粒子，选择与反应器中透明胶质流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，收集数据，获取厌氧动态膜生物反应器的数据和污泥厌氧消化过程中实际运行参数；S2，CFD模拟，根据步骤S1中获取的数据，建立控制方程，确定初始条件和边界条件，绘制几何模型，划分计算网格并生成节点，然后选取流态模型和求解方法进行求解计算，并输出可视化结果；S3，粒子示踪成像，选取示踪粒子及与污泥流变特性相近的透明胶质流体作为模拟工作流体，在与厌氧动态膜生物反应器结构相同的透明模拟反应器中模拟污泥的实际运动过程，并获取示踪粒子的运动轨迹和流速；S4，将步骤S2中CFD模拟结果与所述步骤S3中粒子示踪成像结果进行对比，分析两者差异，根据所述差异对所述CFD模拟的模拟过程进行调整，直至两者接近，从而甄别出几何模型内死区所在位置和膜面剪切应力较小的区域；S5，根据所述死区所在位置对所述几何模型进行调整，然后进行二次CFD模拟并求解计算，直至所述几何模型内死区范围减小或没有死区，以获得最优流态，并依此对透明反应器的结构进行相应调整，再次利用粒子示踪成像技术进行验证，直至两者接近，由此获得优化后的几何模型；S6，根据膜面剪切应力较小的区域所在位置，对CFD模拟过程中沼气循环装置的位置及运行参数进行调整，再次进行CFD模拟直至获得最优膜面剪切应力分布，由此优化厌氧动态膜生物污泥厌氧消化工艺。2.根据权利要求1所述的基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述厌氧动态膜生物反应器的数据包括反应器的三维尺寸、膜框架的位置、膜组件的位置、沼气曝气管及曝气孔的位置；所述污泥厌氧消化过程中实际运行参数包括反应器的进泥量、循环污泥量、有效膜面积、膜通量、污泥的流变特性参数、沼气循环曝气强度。3.根据权利要求1所述的基于粒子示踪的AnDMBR工艺优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中：所述初始条件包括过程开始时的进泥量、循环污泥量、膜面积、膜出水量、污泥浓度、污泥的流变特性参数、沼气循环曝气强度；所述边界条件包括进泥管、循环污泥管、膜出水管、沼气孔断面上的速度分布、膜面污泥流速分布、反应器壁面污泥流速分布；和/或所述流态模型选自Standard...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜兴治，姚峥，曹高勇，罗文婧，唐豪洲，王志伟，吴炜，周博，戴若彬，王雪野，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：